基于VRML的虚拟现实课程任务驱动教学模式应用实践.docx

    基于VRML的虚拟现实课程任务驱动教学模式应用实践    吴慧欣 华北水利水电大学信息工程学院Reference：针对虚拟现实技术课程在高校教学过程中存在的突出问题，本文将VRML引入虚拟现实课程教学实践，搭建了基于VRML的虚拟现实教学实践平台采用任务驱动课程教学创新模式，通过重建虚拟现实场景完成对各个功能单元的自主学习，最后结合具体案例，分析了任务驱动教学模式的实施过程实践证明，该教学模式能够激发学生的学习兴趣，有助于学生对虚拟现实进行自主探索Keys：虚拟现实 VRML 任务驱动 教学改革G642：A一、引言虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新综合集成技术，它采用以计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备，以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，从而产生身临其境的感受和体验虚拟现实技术集成了计算机图形图像处理、网络通信、计算机仿真、人工智能、传感、可视化等技术的最新研究成果，目前已经成功应用在航空航天、军事、教育、工业制造、建筑与城市规划、娱乐、能源、医疗卫生等领域尤其是在教育领域，虚拟现实技术更能给学生带来身临其境的切身感受，远比传统的说教生动形象，它带给我们崭新的教育创新思维，将在高校教育教学改革中起到举足轻重的作用。

因此，目前多数具备师资力量的高校都开设了虚拟现实相关理论与实验课程然而，由于虚拟现实是近年发展起来的新兴技术，在高校教育实践中存在诸多问题亟待解决，尤其是教学用软件开发平台，目前虚拟现实开发平台大多是商用软件，需要大量资金投入，而且不适合大规模用户并发使用因此目前很多高校虚拟现实课程仍局限在理论教学层面，实践课程无法有效开展为此，本文将VRML引入虚拟现实课程教学实践，重点阐述利用VRML搭建一个全新的虚拟现实实践教学平台，把晦涩难懂理论通过实践平台形象的展现出来，使学生首先获得对虚拟现实的直观认识，从而激发他们的学习兴趣，引领学生对虚拟现实进行自主探索二、VRML简介VRML (Virtual Reality Modeling Language)，即虚拟现实建模语言，它的基本目标是建立互联网上的交互式的三维多媒体，它以互联网为应用平台，作为构建虚拟现实应用的基本架构它的出现及其发展改变了网络的二维平面世界，实现了真正的三维立体网络世界VRML用文本信息描述三维场景，响应网络请求，在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，其统分结合的工作模式决定了其应用的平台无关性VRML本身不仅具有强大的三维造型功能，而且兼容其他主流软件平台生成的三维模型（如3DMAX、CAD等）。

利用VRML可以生成复杂的三维场景， 同时可以实现对三维场景的漫游仿真VRML是一款完全开放的网络平台三维建模软件，可以嵌入Java等应用程序扩展其功能，语法简单，易学易用，非常适合虚拟现实教学实践三、基于VRML的虚拟现实课程教学实践虚拟现实应用的全过程一般包括三维场景静态建模、场景三维可视化渲染，场景漫游仿真高校虚拟现实课程讲授也主要围绕这三部分内容展开VRML为虚拟现实校园应用提供了理想的平台1．虚拟现实开发平台的搭建VRML通过节点构建三维实体模型VRML节点分为Shap e模型节点、纹理映射节点、群节点、环境、影音节点与视点导航节点、 规范化接口节点、交互节点等其中Shape模型节点实现三维实体的几何造型，纹理映射节点负责物体表面纹理贴图，环境节点实现三维场景自然环境的模拟，影音节点可以在场景中引入声音、视频等元素，视点导航节点负责三维场景的漫游方式，交互节点实现用户与系统的自然交互利用VRML，可以构造多数场景中的三维实体模型作为扩展补充，我们引入3DMAX造型模块，利用其复杂的造型和可视化渲染功能实现大规模场景的建模与仿真也即是说，在造型方面，可以利用VRML和3DMAX实现场景的静态建模。

VRML提供了3DMAX模型的导入接口，3DMAX模型可以集成在VRML场景中，这一功能的实现，极大地提高了建模的质量与效率在场景漫游仿真过程中，可以利用VRML强大的三维交互功能，实现三维场景的漫游仿真利用3DMAX实现单个实体的三维建模，采用VRML对多个模型进行综合集成，生成复杂的仿真场景，进而实现场景的三维漫游仿真，这一教学实践模式，充分发挥了VRML和3DMAX各自优势，搭建了理想的虚拟现实开发平台2．任务驱动虚拟现实课程教学创新模式虚拟现实技术是一门实践性很强的课程，重要的是要让学生掌握思路与方法因此，边讲边练，让学生掌握基本原理与技术，然后采用任务驱动，给学生布置具体的任务，引导学生通过完成任务熟练掌握课程内容为此，需要准备一套或几套完整的虚拟现实综合应用案例，每个案例都涵盖了虚拟现实基本的知识技能单元教师可以通过过程分解，逐步重建教学案例（如图1所示），在此过程中，讲解各基本知识技能单元，让学生在实际应用中切身领悟虚拟现实的基本原理与技术根据虚拟现实技术的特点以及构建三维场景及漫游仿真的先后顺序，虚拟现实课程内容可以按照以下模块进行分解1）静态场景建模该部分主要涉及对三维实体的空间建模，包括点、线、面、体、网格、挤出造型等。

建模过程中规则形体的构建易于理解掌握，对于不规则形状，重点在于引导学生理解对建模所需空间数据采集与管理比如构造地形表面模型，所需数据为建模区域的数字高程模型（DEM），该模型如何获取，其文件结构怎样、如何存储与管理等均是理解掌握地形表面建模的关键在DEM模型基础上，利用VRML中的ElevationGrid节点很容易生成三维地形表面模型由于VRML提供了3DMAX等建模软件的接口，可以把其它格式的三维模型直接导入VRML场景这部分功能可以引导学生对其他建模软件进行自主学习，不仅能拓宽学生的知识面，而且能极大地提高建模的质量与效率2）模型三维可视化渲染该部分主要涉及纹理、材质、光照可视化渲染操作纹理映射通过将数字纹理根据几何体的外形，按一定规则映射到几何造型或文本造型的表面VRML使用Material节点实现静态和动态纹理的映射这部分内容的重点是要引导学生对纹理的数据格式的理解以及纹理坐标与物体几何坐标之间的对应关系VRML提供了一个简单的可视化物体材质编辑器，也可以通过材质模型库选取光照处理是虚拟现实中较为复杂的部分，但也是最吸引学生的地方，只有在三维场景中引入光照，场景才能显示出逼真的立体感。

VRML的光照模型包括点光源、平行光源和锥光源通过三种光照模型的组合，可以设计出形象逼真的三维模型讲解该部分内容要尽量避开难懂的数学模型，易从应用的角度出发，培养激发学生的学习兴趣3）环境、声音、视频元素模型要放置于一定的背景环境中才能体现出立体感，而且场景中引入声音、视频等元素才能增加虚拟现实的沉浸感VRML的环境造型非常丰富，提供了天空、大地、视图体、雾等效果在多媒体硬件的支持下，VRML通过其声音传播模型，可以模拟出异常逼真的立体声效果4）交互控制该部分内容涉及到插补器和感知器的运用在场景中构造动画以及实现对动画的交互控制对学生具有较强的吸引力VRML依据给定的时间传感器以及插补器等节点对场景中的动画进行控制其基本思想是由时间传感器控制动画的时钟，然后将时间控制参数作为事件传送给各种插补器节点，插补器依据事先设计好的时间关键点和动画关键值，形成连续变化的动画效果感知传感器节点用于感知用户在场景的位置，从而触发设定的事件，实现交互控制的目的5）场景集成及导航漫游复杂的三维场景可能包含许多模型元素，这些模型元素可能来自于VRML本身，也可能是由其他三维建模软件生成利用VRML的场景集成功能，将单个模型元[来自www.lw5u.CoM]素进行集成，生成复杂的三维仿真场景。

在此基础之上，借助于VRML的Viewpoint、NavigationInfo等节点实现场景导航漫游考虑到场景渲染效果，引入LOD功能节点，根据视点与场景的距离远近，选择不同分辨率的模型，以优化渲染计算以上五个部分基本涵盖了虚拟现实的大部分功能单元，任意复杂的虚拟现实场景都可以借助于这五部分的功能进行重建因此，虚拟现实课程内容易于围绕以上功能模块展开，通过任务驱动的方式，引导学生全面理解掌握虚拟现实的基本原理、方法与技术四、教学应用案例分析以上论述了虚拟现实课程任务驱动教学实践过程及VRML功能分解模块，本节以构建一个建筑小区为任务，分析任务驱动教学模式的实践过程首先设置以下任务：第一，对建筑小区进行静态建模，模型包括建筑物（室内室外两部分）、自然景物树木以及背景环境等；第二，动画影音效果，如小区景观喷泉、运动中的行人、车辆等；第三，场景中元素的可视化渲染，如材质、纹理贴图、光照等功能的实现；第四，交互控制，如门的打开与关闭，室内、外场景的转换，声音、视频的播放等；第五，场景优化与漫游导航，实现对三维场景的渲染优化以及自主或自动导航围绕以上任务，我们设计了如图2所示的应用案例通过对建筑小区的展示，初步建立起对任务（虚拟现实场景）的感性认识。

然后，对任务按照五种功能模块进行分解比如可以分解出来的静态模型如图3单体建筑物（该模型由3DMAX生成）、图4为树木造型针对每一个分解出来的静态或动态模型，引导学生运用虚拟现实基本功能单元，逐步重建，在完成任务过程中，掌握基本虚拟现实的基本原理与方法然后，运用VRML的综合集成功能，把之前建立的静态或动态模型按照设计模式进行集成，最终实现虚拟现实场景重现这一过程，将有助于学生对虚拟现实的认识由感性阶段自然过渡到理性阶段五、结束语本文针对虚拟现实课程教学过程中存在的问题，利用VRML搭建虚拟现实实践教学平台，采用任务驱动虚拟[来自Www.L]现实课程教学创新模式，通过重建虚拟现实场景完成对各个功能单元的学习，进而掌握虚拟现实的基本原理与方法实践证明，基于VRML的教学实践平台易于掌握，学习入门快任务驱动的创新教学模式，能够激发学生的学习兴趣，有助于学生对虚拟现实进行自主探索，激发学习潜能Reference[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学(F辑:信息科学),2009(1)[2]张锐.基于虚拟现实技术的土木工程教学改革与探索[J].山西建筑,2013(9)[3]吴天凤.基于“任务驱动”的CAD教学方法探讨[J].安徽理工大学学报(社会科学版),2013(3)[4]姜雪茸.任务驱动教学模式探究[J].兰州教育学院学报,2013(1)作者简介吴慧欣，华北水利水电大学信息工程学院副教授，博士，主要研究方向为虚拟现实及科学计算可视化。